前言
与传统的水闸相比, 橡胶坝结构简单, 抗震性能好, 造价低廉, 可充坝蓄水及坍坝过洪, 利用自然又不破坏自然。近年来, 随着我省城市用水、景观建设及环境整治的需要,橡胶坝得到更广泛的运用。但在橡胶坝设计过程中, 有些技术人员重视不够, 考虑不够全面, 实践经验少, 导致运行多年后, 部分橡胶坝出现损坏严重、冲毁的现象。因此, 不断总结和提高橡胶坝设计技术是很有必要的。现以永安城区巴溪河拦河坝和罗源县歧头滩内橡胶坝设计为例, 阐述橡胶坝设点要点, 供参考。

1 　坝址及坝型选定

111 　坝址选择
众多橡胶坝中, 坝址由业主决定的并不少见。有的坝址地质条件较差, 冲刷较大, 造成基础处理难度大, 降低了工程的整体性。因此, 橡胶坝坝址应根据实际情况, 选在相对顺直、地质条件较好、水流流态平顺及岸坡稳定的河段。永安城区巴溪河拦河坝设计时, 业主建议的坝址在永安桥下游约180 m 处。经实际勘察, 该段属弯道, 会引起过坝水流不平稳, 坝袋容易产生振动, 从而加剧坝袋磨损, 影响使用寿命。经过多条坝线比较, 最终坝址确定在永安桥上游150 m 处。该段河道岸线顺直, 为岩石基础, 两岸防洪堤已加固, 坝后有一较陡坡段, 泥沙容易排泄, 易于减轻坝袋振动和磨损。
112 　坝型选定
罗源县歧头滩内橡胶坝和永安城区巴溪河拦河坝设计中选择提升闸、橡胶坝、水力自动翻板闸进行坝型比选。
(1) 提升闸: 钢闸门具有运行可靠、使用方便、水位可人为控制等优点, 但造价高, 结构复杂, 运行费用大, 启闭速度慢, 影响行洪。
(2) 橡胶坝: 造价低, 技术先进, 结构简单, 施工方便, 抗震性能好, 不阻碍河道行洪。彩色橡胶坝美观大方,建成后可美化环境并增加旅游景点。但坝袋坚固性较差, 易老化。
(3) 水力自动翻板闸: 结构简单, 运行可靠, 节省能源, 工程造价低, 管理维修方便, 但水位无法人为调节, 运行方式不灵活, 不符合景观人工湖要求。橡胶坝和提升闸主要工程量及投资对比见表1 。

 

表1 　巴溪河橡胶坝和提升闸主要工程量及投资对比

坝型橡胶坝闸坝坝型橡胶坝闸坝
土石方开挖(m3) 2 570 2 600 钢筋(t) 13128 27138
土石方回填(m3) 934 957 金属结构(t) 87
C20混凝土(m3) 587 1 294 橡胶坝袋(m2) 567
C20混凝土防渗墙(m3) 83 83 水泵房及管理房(m2) 95 30
浆砌石(m3) 1 566 1 566 投资(万元) 92183 130112

 

         通过社会经济效益及技术比较论证, 并结合实际情况,最终拦河坝采用橡胶坝。设计中应注意, 橡胶坝主要适用于低水头、大跨度的闸坝工程, 水头超过5 m 的应慎用。为保证拦河坝使用寿命,降低成本, 橡胶坝不宜用于水位变化太频繁的河道。

 

2 　工程设计

橡胶坝设计主要包括坝袋、锚固结构、控制系统、安全与观测设备、土建工程部分等。
211 　坝袋
橡胶坝坝袋按充胀介质可分为充水式和充气式。根据国内已建橡胶坝多年运行实践和设计经验, 建议建在溢流堰或溢洪道上的橡胶坝坝袋采用充气式, 河道上的采用充水式。永安城区巴溪河拦河坝挡水高度为2100 m , 坝顶高程163170 m。考虑到城区河道应过水均匀, 对下游冲刷小, 同时满足景观湖的要求, 因此选择充水无搭头彩色橡胶坝。根据《橡胶坝技术规范》(SL227 - 98) 规定, 计算工况为: 上游水深等于坝高, 下游无水。
(1) 坝袋径向计算强度
　　T =
1
2
Y (α-
1
2
) H21
式中: T 为坝袋径向计算强度, kN/ m;Y为水的容重, kN/ m3 ;α为内压比, α= 1130 ;H1 为设计坝高, m。计算得T = 1160 kN/ m。
(2) 设计参数
充水后的坝袋各设计参数根据规范有关公式计算, 结果如下:
设计坝高H1 = 2100 m
内压水头H0 = 2160 m
上游坝面弧长S1 = 31515 m
下游坝面弧长S = 31542 m
上游贴地段长度n = 21582 m
下游贴地段长度X0 = 11175 m
双锚线锚固坝袋有效周长L0 = S1 + S = 71057 m
双锚线锚固坝袋底垫片长度τ0 = n + X0 = 31757 m
双锚线锚固坝袋底垫片宽度b0 = 5116 m
双锚坝袋锚固长度2Δl = 1140 m
坝袋实际周长L = l0 + 2Δl = 81457m
坝袋单宽容积V0 = 71362 m3/ m
总容积V = 479 m3
(3) 坝袋外形轮廓
上游坝面曲线段半径R =
2α- 1
4 (α- 1) H1 = 21667 m
下游坝面曲线段坐标X = X0 - (α- 1 +
1
2α
) H1 F ( k ,
φ1) +αH1 E (k , φ1) , 计算结果详见表2 。
表2 　巴溪河橡胶坝下游坝面曲线段坐标计算结果
坝高Y 水平值X 坝高Y 水平值X
0 11175 110 11781
011 11513 111 11742
012 11633 112 11691
013 11711 113 11626
014 11765 114 11546
015 11800 115 11448
016 11821 116 11328
017 11828 117 11179
018 11824 118 01986
019 11808 119 01713
210 01000
212 　锚固结构
锚固是橡胶坝能否稳定起到挡水作用的关键部位, 其构件必须满足设计的强度和耐久性, 达到牢固可靠和严密不透水(气) 的要求。福建地处沿海, 河水位和海水位经常变动, 则要考虑上游水压和下游潮水压力。这种情况下橡胶坝袋双向受压, 若采用单线锚固, 未锚固的一侧经常受到挤压, 很容易破裂,造成损失。因此在罗源县歧头滩内橡胶坝设计中采用双线锚固。考虑到锚固螺栓常在水中浸泡, 易生锈, 在螺栓上抹黄油, 用塑料布包扎后, 再用砂浆将锚固槽填满, 为坝袋的修理等拆卸提供了可靠的保证。
213 　控制系统及安全与观测设备
充排方式的选择应根据工程的现场条件和使用要求等,经技术经济比较后选定, 一般采用动力式。山区洪水突发可能性大, 如因排水时间过长, 不能及时坍坝, 可能造成洪水漫滩或漫坝, 由此带来严重后果。因此坍坝时间或运用方式应作专门研究。为提高管理效率和预见性, 尽量采用计算机自控系统,通过自动水位传感器监测水位。
214 　土建工程
作用在橡胶坝上的各种荷载可参照《水闸设计规范》进行计算, 设计与水闸基本相同, 应根据坝的设计条件、水工布置分别验算建筑物的强度及防渗、抗滑稳定。橡胶坝全部坍落时袋面行洪, 水流比较平稳, 流速与原河床流速相近, 计算其泄流能力可采用宽顶堰流计算公式。
　　Q = ΣσmB 2gh0
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式中: Q 为过坝流量, m3/ s ;
B 为溢流断面平均宽度, m;
h0 为计入行近流速水头的堰顶水头, m;
m 为流量系数;
σ为淹没系数;
Σ为堰流侧收缩系数。
巴溪河橡胶坝泄流能力见表3 。经计算, 当下泄设计洪
峰流量(P = 3133 %) Q = 972 m3/ s 时, 坝前水位166174 m。
由于巴溪橡胶坝工程主要以美化环境为主, 当上游洪水来临时, 宜坍坝满足河道行洪要求。因此下游消能防冲最不利计算工况为上游正常高水位, 下游无水。坝基防渗措施采用水平防渗和垂直防渗相结合的形式, 即在坝前采用水平铺盖, 在基础底板的上游设2150 m 深的齿墙, 墙厚0150 m。为防止浇坝渗漏, 齿墙与两岸连接处分别向上游延伸2100 m。渗流稳定计算、抗滑稳定及基础应力计算和水闸基本一致, 这里就不叙述了。
库水位(m) 堰上水头(m) 下泄流量(m3/ s)
161170 0 0
163170 2100 243
164170 3100 447
165170 4100 688
166120 4150 821
166170 5100 962
167120 515 1 109


3 　运行管理设计要点
设计时要周全考虑泥沙给橡胶坝运行管理带来的困难。山区河道发生洪水时一般采取塌坝运行, 挟沙量较大。沙石通过坝袋时, 对坝袋产生一定程度的磨蚀, 而且易被洪水带入上游坝袋锚固槽, 或过坝后因负压作用被吸入坝袋底部。因此, 设计时要充分考虑坝袋强度, 再充坝前应尽量清除沙石, 避免运行振动或蠕动过程中坝袋与沙石产生摩擦, 避免遇到特别尖锐物体的危险情况。
设计上应考虑保护坝袋的一些具体工程措施。山洪河道, 大量漂浮物如大树、船只等, 通过时容易划破橡胶坝。设计定制时, 坝袋的外层胶稍厚为宜, 并可在坝袋内部设置缓冲垫, 以减轻振动。为节约建设资金, 很多建设单位不设立工作桥, 给检查观测带来极大不便, 特别是行洪期间, 无法对全坝进行检查。设计上应尽量完善提高安全检查方便性。